基于共有云的互動課堂系統設計研究

王永建，鐵小輝，楊建華，陳偉東，張 磊

(中國通信建設集團設計院有限公司，北京 100079)

基于共有云的互動課堂系統設計研究

王永建，鐵小輝，楊建華，陳偉東，張 磊

(中國通信建設集團設計院有限公司，北京 100079)

云計算是近些年最為重要的信息化技術之一?；诱n堂系統是智慧校園建設與教學創新的重要組成部分。因此，基于公有云，從SaaS模式角度，對互動課堂系統做了研究。首先分析了互動課堂系統的業務模型。然后，結合云計算系統分層框架，設計了互動課堂系統的技術架構，分別對展現層、服務層、存儲層做了定義。最后，從教師端與學生端角度，設計了系統的功能。這些設計思路在一些實際項目中已運用，效果良好。

SaaS；Html5；CDN；Nginx；Redis

本文著錄格式：王永建，鐵小輝，楊建華，等. 基于共有云的互動課堂系統設計研究[J]. 軟件，2016，37（11）：01-06

0 引言

習總書記曾講過：沒有信息化就沒有現代化。信息化在實現社會現代化，實現全面小康目標中具有重要的戰略地位。2016年7月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《國家信息化發展戰略綱要》，要求將信息化貫穿我國現代化進程始終。

云計算、大數據、傳感器、RFID（Radio Frequency Identification）、NFC（Near Field Communication）等信息技術的發展，深刻著影響著教育的變革與發展[1]。為促進新形勢下教育理念和教育模式的轉變，教育部近些年大力推動智慧校園規劃與建設的創新工作[2]。

2015年7月8日，教育部、清華大學等機構舉行了“2015智慧校園規劃與建設暨高校信息化峰會”[3]；2016年2月2日，教育部印發了《2016年教育信息化工作要點》的通知[4]。

自從2006年Google提出了云的概念，云計算即成為信息技術領域最熱門的技術之一，學術界與產業界做了大量研究，在信息化建設中具有至關重要的作用[5]。

互動課堂為教師革新教學方式，踐行教學理念提供業務及功能支持，更好的確立了學生是學習的

主體地位，教師變為學生學習過程的服務者、引領者、組織者、鼓勵者、合作者，對教學的改革與創新具有重要意義。本文從共有云的SaaS模式出發，對互動課堂系統進行了探究。

1 云計算分析

云計算是一種服務,也是一種技術,或者商業模式[6]。按照服務模式，本文將云計算由低層到高層分為四層。如圖1所示。

（1）基礎設施即服務（IaaS，Infrastructure as a Service），將服務器、存儲、網絡、安全設施等構建成云資源，將虛擬機、內存、I/O、存儲、IP地址、網絡等組成虛擬化資源池，為用戶提供定制化服務[7]；

（2）平臺即服務（PaaS，Platform as a Service），將開發環境/平臺和基礎能力（如數據分析處理、身份認證、中間件、數據庫等）作為服務，這是一種分布式服務，客戶在平臺上開發定制化應用[8]；

（3）軟件即服務（SaaS，Software as a Service），將應用軟件或者應用程序部署在PaaS上作為服務，根據客戶訂購的功能、數量、時間、性能要求等提供相應服務[9]；

（4）呈現即服務（DaaS，Display as a Service），將Web、短彩信、APP、PC桌面、顯示大屏等作為服務。

圖1 云計算分層框架

按照服務對象，云計算可分為私有云、公有云、混合云；按照所屬行業，可分為政務云、民生云、旅游云、醫療云、教育云、企業云等[10]。本文的研究屬于教育云范疇，主要探究SaaS模式內容。

2 總體設計

2.1 業務模型

本文從課前、課中、課后三個不同環節出發，分析互動課堂系統，以課程為軸線將教師和學生串聯在一起，實現教師、課程內容、學生三者之間的互動。如圖2所示：

圖2 業務模型

（2）基于課前的任務推送結果反饋和學生線上學習行為數據跟蹤，教師在課堂開始前即可了解學生任務完成，知識點掌握情況。有針對性的進行課程內容講解，通過屏幕同步、文件共享、堂間任務推送、評論標記等功能，實現對課程內容的控制、師生互動。在授課期間，學生除了可以同步接收教師推送的任務、同步課程資源，也可以主動的針對課程內容進行評價反饋，進行課程筆記標記。

（3）課程結束，教師基于平臺互動課堂系統記錄的學習數據對不同學生群體進行有針對性的課程評價獎勵及區別和任性任務推送。

2.2 技術架構

本文將互動課堂系統技術架構分為三層：展現層、服務層、存儲層。如圖3所示：

2.2.1 展現層

展現層由PC WEB端、教師移動端、學生移動端組成。通過Html5 Canvas+WebSocket實現各個終端畫面同步與交互。用先進的互聯網技術手段圍繞

課前、課中、課后三個不同環節，以課程為中心將教師和學生串聯在一起，實現教師、課程內容、學生三者之間的互動。

圖3 技術架構

2.2.2 服務層

服務層為前端提供API服務。通過CDN服務與Nginx負載均衡構建適應高并發訪問的業務場景。

2.2.3 存儲層

存儲層根據數據類型與作用域分為緩存存儲服務、日志存儲服務、多媒體文檔（圖片、音頻、視頻）存儲服務、關系型數據存儲服務、非關系型數據存儲服務。

（1）緩存存儲服務

類比于計算機中CPU為了提高訪問速度，通常把硬盤的數據提前緩存到內存中。在實現高并發的架構場景下，把數據寫入硬盤固然實現了最終的數據持久，但IO寫入效率低下會成整個應用服務的性能瓶頸。在技術架構中采了Redis做為內存數據庫，它的讀寫性能測試達到每秒10萬條左右，極大的提高了系統的性能。

（2）多媒體存儲服務

采用流式寫入和讀取，特別適合視頻等大文件的邊寫邊讀業務場景。支持jpg、png、bmp、gif、webp、tiff等多種圖片格式的文件格式轉換、縮略圖、剪裁、水印、縮放等多種操作。并提供高質量，高速并行音視頻轉碼能力。搭配CDN進行加速分發，穩定、無回源帶寬限制。如圖4所示：

圖4 多媒體緩存服務

（3）關系型數據存儲服務

采用Mysql的主從復制技術方案，并通過調優實現了讀寫分離，應對不同業務需求，在訪問高峰期時可進行彈性擴容，即開即用，高效應對數據庫讀取負載。

3 功能設計

3.1 總體功能結構

互動課堂圍繞課前、課中、課后三個不同環節，為教師、學生提供無縫的學習通道，是集教師備課管理、課程授課、課堂互動于一體的教學平臺[11]。總體功能如圖5所示：

課前教師可基于學生的學習情況分布，進行授課內容創建，設計課程內容和課堂任務，并可將課前預習部分內容以先導學習、課前測驗摸底等方式推送給學生，學生實時獲取課程需要講授的內容范圍并完成課前任務。

基于課前的任務推送結果反饋和學生線上學習行為數據跟蹤，教師在課堂開始前即可了解學生任務完成，知識點掌握情況。有針對性的進行課程內容講解，通過屏幕同步、文件共享、堂間任務推送、評論反饋等功能，實現對課程內容的控制、師生互動。

圖5 總體功能結構

在授課期間，學生除了可以同步接收教師推送的任務、同步課程資源，也可以主動的針對課程內容進行評價反饋，進行課程筆記標記。

課程結束，教師基于平臺互動課堂系統記錄的學習數據對不同學生群體進行有針對性的課程評價獎勵，并可跟進個體區別進行課后回顧任務的布置推送。

互動課堂系統通過跟蹤分析學習數據，輔助教師完善教學計劃，制定區別化的課程任務，做到因材施教提升教學質量。引導學生完成課程學習、任務反饋，有針對性進行課程回顧服務提高學習質量。3.1.1 教師端功能結構

互動課堂系統教師端應用主要分為：教師備課端、授課助手兩個部分。如圖6所示：

教師備課端：主要實現管理授課課程，并對每個授課課程制定授課計劃，根據授課班級學生學習情況創建授課資源并在上課過程中進行課程內容播放。

授課助手：教師可通過移動端完成課程資源播放的控制、任務推送、查看答題數據、完成文件分享、批注同步等，授課助手幫助教師脫離講臺束縛完成授課過程控制。

3.1.2 學生端功能結構

互動課堂系統學生端：支持學生登錄互動課堂系統，根據教師授課安排完成課程前中后推送布置的課程任務、參與上課同步。可快捷查看已上課的記錄、進入授課課程完成任務獲取、任務解答，同步教師推送授課內容和資源，進行課程評論反饋并對教師和課程進行評價，在課程開始前后進行預習復習。如圖7所示：

3.2 詳細功能設計

互動課堂系統功能模塊主要包括角色登錄、課程創建及管理、備課管理與計劃、任務管理及推送、課件控制與同步、內容共享與同步、學生上課及互動、數據分析與應用。具體如表1所示：

圖6 教師端功能結構

圖7 學生端功能結構

表1 詳細功能表

4 結束語

本文從云計算的SAAS模式出發，研究設計了一種面向公有云的互動課堂系統。互動課堂是個比較大的系統，本文僅僅是其中的一部分，還要考慮與其它系統對接互動，例如智慧校園中的教務系統、圖書館系統、一卡通系統、未來課堂系統等。尤其是未來課堂系統，未來課堂系統是個綜合的多類型教學系統，能提供豐富的展示方式、互動方式和評估方式，互動課堂系統與其深度融合，才能更大限度的發揮作用。當然，這也對互動課堂系統的建設提出了更高的要求和標準，需要今后不斷的進行完善與優化。

[1] 王永建, 王海兵, 周顯等.智慧校園一卡通與圖書館系統對接探究[J]. 軟件, 2016(5): 111-114.

[2] 王永建, 張春獻, 張鑫等. 智慧校園一卡通與教務系統對接設計[J]. 電信快報, 2016(7): 10-13.

[3] 教育部科技發展中心. 2015智慧校園規劃與建設暨高校信息化峰會[EB/OL]. http://www.edu.cn/xxh/focus/xs_hui_ yi/201507/t20150709_1286771.shtml, 2015-07-08/2016-04-12.

[4] 教育部辦公廳. 2016年教育信息化工作要點[DB/OL]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201602/t2016021 9_229804.html, 2016-02-04/2016-04-12.

[5] 王永建. 基于公有云的民生服務平臺研究[J]. 電信網技術, 2016(10): 15-20.

[6] 張斌, 羅東森. 云計算數據中心SDN部署研究[J]. 通信技術, 2014, 47(12): 1424-1428.

[7] J Rhoton, R Haukioja.Cloud Computing Architecture: Solutions Design Handbook[M].America:Recursive Press, 2011: 5-6.

[8] 楊潔, 王左利. 教育信息化躍上云端[J]. 中國教育網絡, 2016(09): 18-19.

[9] 潘曉敏. 基于公有云SaaS模式的科技園區服務平臺[J]. 上海工程技術大學學報[J]. 2012, 26(2): 185-188.

[10] 王永建, 朱運起, 徐楊等. 基于云計算的智慧政務安全體系設計研究[J]. 通信技術, 2016, 49(4): 462-468.

[11] 鄭振祥, 祝春華. 以幸福小組為載體的135教學模式[J].教育: 周刊, 2016(2): 16-17.

Study and Design of Interactive Classroom System Based on Common Cloud

WANG Yong-jian, TIE Xiao-hui, YANG Jian-hua, CHEN Wei-dong, ZHANG Lei
(China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co. Ltd, Beijing 100079, China)

Cloud computing is one of the most important information technologies in recent years. Interactive classroom system is important part of smart campus construction and teaching innovation. Therefore, based on cloud computing, interactive classroom system is studied, from the perspective of SaaS mode. Firstly, the business model of interactive classroom system is analyzed. Then, combined with the hierarchical framework of cloud computing system, the technical framework of interactive classroom system is designed. The data service layer, the base platform layer, the service layer and the presentation layer are defined. The presentation layer, the service layer and the storage layer are defined. Finally, the function of the system is designed, from the point of view of teachers and students.These design ideas have been used in some actual projects, and the effect is good.

SaaS; Html5; CDN; Nginx; Redis

TP393.08

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.001

河南省重點科技攻關項目（152102210206）

王永建(1981-)，男，高級工程師，研究方向為信息安全、大數據、計算機應用；鐵小輝(1965-)，通訊作者，男，本科，高級工程師，研究方向為計算機應用、信息安全；楊建華(1979-)，男，本科，高級工程師，研究方向為數據通信、計算機應用；陳偉東(1980-)，男，本科，高級工程師，研究方向為計算機應用；張磊(1983-)，男，本科，工程師，研究方向為數據通信、計算機應用。